Radioaktive Dünnfilme liefern Energie für Mikrosensoren [Update]
Forscher der Cornell-Universität haben eine winzige Radionuklidbatterie entwickelt, die sich beispielsweise für autonome Sensoren eignen könnte.
Die SonicMEMS-Arbeitsgruppe der Cornell-Universität aus dem US-Bundesstaat New York haben einen winzigen Stromgenerator entwickelt, der die kinetische Energie der von einem Nickel-63-Dünnfilm abgestrahlten Betapartikel nutzt. Anders als bei radiothermischen Generatoren (RTG), die bei Raumsonden für sonnenferne Expeditionen (wie die "Plutoniumbatterien" von Cassini) zum Einsatz kommen, nutzt der Radioisotope Power Generator (RPG) der Cornell-Forscher die kinetische Energie der Beta-Partikel, um einen piezoelektrischen Wandler (PZT, Bleizirkonat-Titanat) in resonante Schwingungen zu versetzen.
Der RPG soll sich als MEMS (Mikro-elektomechanisches System) in einem Volumen von weniger als einem Kubikmillimeter realisieren lassen und mit einer Wandlungseffizienz von rund 2,7 Prozent die Strahlungsenergie des Radioisotops weit besser ausnutzen als andere Konzepte, also außer den erwähnten RTG etwa die Aufladung eines Speicherkondensators durch ionisierende Strahlung oder "Betavoltaik", wie man die direkte Wandlung von Betastrahlung in elektrische Energie in einem Halbleiter in Anlehnung an Fotovoltaik nennt.
[Update:] Anlässlich der ISSCC 2006, die Ende dieser Woche in San Francisco beginnt, wollen die Forscher der Cornell-Universität eine optimierte Version ihres RPG vorstellen, der zusätzlich mit einem Betavoltaik-Wandler ausgestattet ist. Damit soll die Wandlungseffizienz auf bis zu 30 Prozent steigen. Außerdem optimiert die Strahlung auch gleich noch die Kennlinie eines MOSFETs (Biasing), der in der integrierten Gleichrichter- und Regelungsschaltung arbeitet. So sollen die RPG zwischen 1 und 10 Mikrowatt Leistung liefern. Die Halbwertszeit von Nickel-63 liegt bei etwa 100 Jahren.
Die Entwicklung des RPG läuft unter Förderung der Forschungsbehörde DARPA des US-Verteidigungsministeriums. Sensornetze aus zahlreichen autonomen, untereinander drahtlos kommunizierenden Sensoren ("elektronischer Staub") werden zurzeit von vielen Forschungsinstituten und Firmen für zahlreiche Einsatzbereiche entwickelt, Intel will so genannte Motes beispielsweise zur Patientenüberwachung einsetzen. Die DARPA fördert unter anderem das Projekt Wideband Networked Sensors (WNS). Nuklearbatterien baut etwa auch die US-Firma Trace Photonics, die ebenfalls Geld vom US-Verteidigungsministerium erhält.
In einem älteren Artikel aus der Zeitschrift IEEE Pervasive Computing (PDF) diskutieren die Cornell-Forscher auch das Schadpotenzial der Nickel-63-Quelle: Diese soll nur etwa ein halbes Millicurie (etwa 18,5 Megabecquerel) Aktivität haben, während in den USA übliche Notausgangs-Leuchtzeichen (EXIT-Schilder) mit Tritiumfüllung eine Aktivität von bis zu 10 Curie (370 GBq) enthalten sollen. Man müsse also zwischen Nutzen und potenziellem Schaden von Mikrosensoren mit RPG abwägen. In vielen US-Bundesstaaten sind übrigens auch noch Rauchmelder mit Americium-241-Isotopen für den Hausgebrauch erlaubt, die in Deutschland nur in bestimmten Anwendungsbereichen zulässig sind – die gängigen Rauchmelder arbeiten mittlerweile mit optischen Verfahren. (ciw)
